基于模型的研制模式下知识化工艺设计技术研究

吴兴杰，董 磊，王 森，陶九超，黄东平

（金航数码科技有限责任公司，北京 100028）

0 引言

在航空制造领域，构成产品的零部件复杂且数量多，具有“多品种、小批量”的特点，且处在研制阶段的零部件的更改频繁。如何在有限的周期内完成大量的零部件工艺设计任务是当前型号工艺研发面临的一项重要课题。因此提高计算机辅助工艺设计工具（CAPP）的知识化、智能化程度，以帮助工艺人员更加高效、高质量的完成工艺设计工作是CAPP发展的重点。

为此，国内外学者对利用工艺知识进行智能化工艺设计进行了大量的研究。文献[1]提出建立三维关联的数控工艺集成信息模型，以加工特征信息为输入，通过规则库中的加工方法与加工特征对应关系进行智能工艺设计；文献[2]提出根据工艺问题的相似性，采用工艺实例推理方法，在一定程度上模拟工艺专家完成工艺参数优化决策。文献[3]利用成组技术进行工艺派生的方法。在工艺辅助设计应用方面，国内各航空制造单位，也都上线应用了CAPP工具进行工艺指令或者工艺规程的编制，且CAPP的数据格式也从非结构化的卡片式转变为结构化数据。而且，随着数据管理手段和知识工程技术发展，企业也意识到知识积累的重要性，建立了各类资源库和知识库，但是当前还停留在知识积累层面，对于如何以知识化的手段有效的帮助工艺人员进行快速工艺设计尚处于探索阶段。究其原因，其一，知识的抽取与积累并没有有效的解决手段，依靠人工维护工艺知识工作量大、难度高；其二，资源库中的数据并没能有效的集成应用到工艺设计工具中，往往只是提供查询、浏览功能；其三，上述研究和应用没有有效解决以设计设计模型作为输入进行工艺知识的自动匹配和推理问题。本质是通过对设计模型进行分析与识别，根据设计元素和要求匹配工艺知识的过程，而基于模型的定义（Modelbased definition，MBD）技术为设计模型的分析与识别提供了基础。

近年来，基于模型的定义技术在设计领域深度应用的基础上，逐步向产品研制的下游扩展，强调MBD信息的重复利用和基于模型定义制造信息。本文提出在基于MBD的研制模式下通过提取产品设计模型中的MBD数据元素，并对由MBD数据元素描述的零件特征进行编码，实现零件特征的标识。在此基础上，一方面通过基于零件特征矩阵进行相似度计算，匹配相似零件的历史工艺实例数据，从中检索工艺设计结果进行推荐；另一方面通过工艺规则进行工艺参数的推导。从而实现工艺路线、工艺规程、工艺资源、工艺参数的智能化推荐，帮助工艺人员进行快速工艺设计。

1 MBD技术在数字化研制中的应用

MBD技术是实现数字化产品定义（DPD）的先进手段，将产品的各类信息按照模型化的方式进行组织，支撑了基于模拟量传递的产品研制模式向基于数字量传递的数字化研制模型的转变。近年来，MBD技术的内涵和应用也逐步从设计端向制造端、服务端扩展，美国国防部提出了MBE－基于模型的企业的概念。基于模型的企业强调在下游的流程和应用中对MBD模型进行最大程度的重用，以支撑在企业乃至供应链范围内建立一个以MBD为统一产品数据定义语言的协同环境。

MBE的核心是MBD，模型一次创建、多次重用，MBD模型贯穿于产品的概念、设计、制造、维护等整个产品生命周期。在MBE体系中基于数字量传递的数据信息存在于以MBD为核心的技术数据包（TDP）中。TDP技术数据包的传递过程强调模型被创建一次，然后在整个设计过程中进化，而不是在每一步重复它。例如将基于MBD模型产生3D技术数据包（TDP）传递到生产乃至供应链，并在向下传递的过程中不断丰富TDP数据的内容。究其本质是基于模型的定义技术具有规范化、消除二义性、可仿真、可验证、可视化、可自动生成文档，且其底层封装的特点便于异构系统间的统一理解，这也是本文通过识别MBD信息进行知识化的工艺设计的一个理论基础。TDP生成的自动化程度及其重用程度在MBE的能力评估体系中是一项重要指标，而本文基于MBD进行工艺设计数据知识化生成的研究也希望能够为关于TDP自动生成的研究提供一定的思路。

如图1所示，对于模型的信息的应用、解析、提取在研制的各个阶段提供统一模型的不同视图，以满足研制过程中不同阶段、不同专业对产品数模信息的不同层次的使用需求。

2 基于MBD的工艺知识应用研究

在产品研制的全生命周期实现基于模型的数字量的传递使得数据在统一的语义及规范下进行传递，有利于消除数据在上下游流通过程中的二义性，增强型号研制数据对于研发人员、管理人员以及计算机的可读性。模型中关于产品信息的表达采用结构化、规范化、形势化的表达方法，为模型信息的统一提取提供了必要条件，而上游模型信息的计算机自动提取与结构化解析是下游基于模型信息进行知识应用的基础，本文主要对利用MBD技术定义的产品信息可以进行提取与分析的特点进行知识化的工艺设计进行论述。

MBD模式规范了产品零部件设计信息的表达形式，MBD以模型化、结构化的方式定义设计信息，在此基础上各行业一般都制定了MBD应用规范。规范化、形式化的产品信息表达形式为设计模型的信息提取提供了基础。对于基于设计信息作为输入进行知识化的工艺设计，推导工艺路线和工艺参数来说还需要积累和梳理基本工序、典型工艺路线、工艺参数，形成数据库，作为知识匹配和推理的数据支撑。对于工艺参数来说往往由一系列的加工特征和要求决定，设计特征的相似度匹配不能充分体现制造资源、环境、时间要求等限制，所有只应用相似性匹配往往不能充分满足工艺参数的知识化设计需求，因此需要在相似度匹配进行基础工艺参数推荐的基础上，充分基于设计输入、制造要求等事实数据匹配适合的规则进行推理，推导出更为全面的工艺参数。对工艺路线、工艺参数、工序模型、工艺资源进行合理的组织形成基于PPR的MBD工艺模型。

图1 基于模型的产品研制模式

如图3所示，首先通过对MBD模型进行解析，对特征进行提取，将提取到的特征在特征库进行匹配并编码，在此基础上对于该零部件的特征组形成特征组编码。基于特征组编码在典型工艺库匹配相似的典型工艺，匹配过程可以通过将特征组编码转成特征矩阵计算特征相似度，挑选相似度高的典型工艺，工艺员在此基础上进行选择或者调整，形成工艺路线和初始的工艺参数。在此基础上，在推理规则库中调用推理规则,并将零件特征、工艺路线、工艺参数、工艺资源等事实数据与推理规则进行匹配与执行，得出推理结果，推理结果一般也为代表工艺资源具体规格的编码和加工参数的编码，根据编码在工艺参数库中检索工艺资源规格和加工参数的具体内容。

图2 基于MBD的工艺知识应用

3 基于MBD的知识化辅助工艺设计

3.1 工艺设计过程分析

工艺工作包括顶层工艺策划、各专业工艺规划、详细工艺设计、现场工艺问题解决等，工艺策划工作主要包括工艺方案的设计、车间分工、工艺分离面的重构、以及跨车间的工艺协调。详细工艺设计是工艺准备的主要工作，包括工艺流程的设计，交接状态的协调，工装、工具等制造资源的申请，工艺规程的编制等。本文主要论述工艺知识在编制工艺规程过程中进行工序流程设计、工艺参数设计、工艺资源选配过程中的应用，如图4所示。

图3 工艺设计过程分析

图4 基于MBD的工艺知识推荐技术基本逻辑

上述操作通过工艺员的经验进行，某些企业也编制过典型工艺手册，具有一定的指导意义，但是通常比较陈旧、粗略或者不全面，而且查阅不便，并不能有效的帮助工艺员快速确定工艺设计文档的内容。

通过分析上述过程，可以得出工艺设计这一活动的输入输出信息如下：

1）输入是设计MBD模型，包含零部件的几何特征和非几何特征（零件类型、材料、精度要求、技术要求等信息）。

2）约束是代表当前工艺能力的工艺资源，包括车间布局、设备、工装等。

3）输出是作为工艺设计成果载体的工艺模型。

3.2 基于MBD的知识化工艺设计技术路线

本文提出通过应用特征识别和MBD信息提取技术，将需要进行工艺设计的零件特征元素与历史数据中零件的数据元素进行匹配，并且从历史工艺文件中的筛选出工艺信息推荐给工艺人员，辅助工艺人员进行智能化快速工艺设计。基于MBD的工艺知识推荐技术基本逻辑如图5所示。

图5 MBD数据元素构成

但是由于零件MBD数据元素的种类较多，而且历史数据庞大，对于数据的过滤与匹配造成了难度，针对上述问题可以通过如下方式解决：

1）通过CAA开发自动提取零件的MBD特征元素。

2）通过对MBD数据元素进行编码，提高匹配效率。

3）建立工艺实例数据仓库，积累有效数据，剔除垃圾数据。

4）进一步建立典型工艺数据库，缩小数据范围。

3.3 MBD数据元素及其自动提取技术

现阶段MBD技术在我国航空企业得到了全面的应用，工艺设计的输入信息大部分包含在产品模型数据中。MBD设计模型主要由几何信息和非几何信息构成，几何信息包括几何模型与辅助几何，非几何信息包括属性和工程注释信息。MBD数据元素的构成如图6所示。

图6 MBD非几何信息

非几何信息主要包括零部件属性信息和工程注释，可以在MBD模型中可以提取到的详细内容如图7所示。

图7 零部件几何特征

几何信息主要由装配件的连接信息和位置矩阵信息以及零部件模型的实体特征信息构成，主要信息如图8所示。

图4中工艺设计需要的输入数据，可以通过提取产品的MBD非几何信息和识别几何特征获得。通过CAA二次开发编程的方式进行提取，一方面基于CATIA V5数据对象属性，提取CATIA V5模型的非几何信息；另一方面利用特征识别技术对提取零件的加工特征。利用XML语言进行属性和特征的映射，并通过对XML数据的解析保存到数据库中，供后续工艺业务活动进行查询和引用的效率。如图9所示。

对于MBD数据元素的提取包括两部分：

1）对零件属性信息、结构树上的信息以及标注信息进行提取，以结构化的形式保存。

图8 MBD数据元素提取

2）对零件进行特征识别，以特征代码的形式，将结构化数据保存到数据库。但是目前对于几何特征的识别的往往还是局限在孔、槽、腔、肋、回转体、曲面等典型特征。

4 基于MBD数据元素的零件特征编码

4.1 零件特征编码的必要性

图9 零件特征编码

随着两化融合的推进，数字化技术在型号研制中的应用，产生了“海量”的业务和系统管理数据。海量数据的有效利用和管理面临如下问题：

1）数据结构化与非结构化并存，某些业务数据未实现精细化、规格化管理；

2）数据的有效性、制造对象、资源对象的状态难以在多个系统间及时同步；

3）数据存在多头管理的问题；

4）多网（局域网、工控网、商网）并存状态下的数据安全管理。

因此，如何把海量信息整理归档、从中过滤掉无效的信息、发现有用的知识，提高信息利用率[4]，是亟需解决的问题。把零件的结构特征、属性信息进行编码就是一个很好的选择。本文把对构成MBD数据元素的非几何信息和几何特征统称为零件特征，将MBD信息数据元素进行编码定义为零件特征编码，以实现数据的精细化管理。采用零件特征编码具有以下几个主要作用：

1）编码作为系统识别某一对象的唯一依据；

2）相同的编码信息可以避免重复存储[5]；

3）编码是实现数据标准化管理的有效手段；

4）编码可建立对所描述对象的复杂属性的简单描述，便于计算机识别，是基于特征进行匹配与推理计算的必要基础。

4.2 零件特征编码方法

通过对航空产品零件信息进行梳理，统筹工艺设计对信息的需求，结合企业现有编码体系和应用习惯进行编码，编码规则优先使用数字，需准确、易识别并便于管理，并保证编码合理性、规范性、简易性和无二义性，同时考虑编码的可扩展性[6]。我们将包括几何特征和零件属性的MBD数据元素统称为零件特征，并且对零件特征编码按照“主码 +辅码”方式设置，每个码段又分为“基本码+可变码”。具体含义如下：

1）属于基本码的码段用于标识零件的基本特征，包括主要的形状特征和基本管理属性，如零件类型、名称、材料等；

2）属于可变码的码段用于表示零件的动态特征，如有效性、成熟度等情况；

3）辅码用于对零件特征或者附加特征进行补充描述。

通过对零件特征进行编码，可以建立对零件几何实体特征和文本属性的标识和索引，从而快速、准确的按照零件的相似性对其工艺进行查询和匹配（应用结构相似、特征相似、属性相似的零件具有工艺相似性的特点）。并且可以为建立零件特征的逻辑关系打下基础。本文建议以十五码段编码方式，如图10所示，企业也可以根据自己的需求进行调整。

现阶段航空企业通常对零件类型、材料、关重特性等都进行了编码，建议相应码段的编码方式复用这些规则。

上文提到对于零件的MBD数据可以通过基于CAA二次开发提取到数据，开发自动编码功能对于这些特征元素根据编码规则进行自动编码，避免人工编码工作繁重、低效、重复、易错的问题。

5 工艺知识库

实现工艺路线、工艺规程、工艺资源的知识化设计，需要查询到相似零件的相关工艺数据进行匹配和推理，因此需要进行基础数据的积累，构建工艺知识库。根据工艺数据的匹配需求，构建典型工艺库、工艺实例数据仓库和工艺资源参数库。

5.1 典型工艺库

对于一些形状特征、材料、技术要求相似的零件，其工艺路线往往相似，将这些零件归为一类，并将有通用性的工艺规程保存下来，供工艺人员在工艺设计时使用。典型工艺库可固化并重用典型工序、典型工序及典型工艺内容。用于规范典型工艺、典型工序的积累、管理、查询、应用。能够有效提高工艺设计工作与工艺文件的标准化，缩短工艺设计工作的周期。

通过对零件MBD数据元素编码的匹配，向工艺员推送相对应的典型工艺，根据具体零件的特征，对典型工艺进行少量的增删改的修订，从而快速的完成工艺文件的编制。典型工艺的构建方式如下：

1）复合零件法，复合零件是指包含其零件族中所有几何特征和工艺特征的零件。可以是零件族中最复杂的真实零件，也可以是包含上述全部特征的虚拟零件。

2）复合路线法，复合路线法是指对该零件族中所有零件全部工序进行汇总和梳理构成的工艺路线。

5.2 工艺实例数据仓库

当在典型工艺库中无法匹配到某一零件的工艺设计数据时，需要扩大搜索范围到大量的历史工艺文件中进行检索。然而，如果在所有的历史文件中进行检索，给服务器带来难以承担的负载，而且速度和效率降低。因此，借鉴数据仓库的思想，将具有一定代表性的零件工艺文件的实例，导入到工艺实例数据仓库中。工艺实例数据仓库中的数据来源包括：

1） 历史工艺文件中具有代表性的工艺设计成果；

2） 由主管工艺根据主营产品特点、企业标准、生产情况整理的具有一定代表性的工艺文件；

3）工艺实例数据会随着型号研制的增多进行积累，也包括基于知识化应用新编制的具有代表性工艺实例。

利用工艺实例进行快速工艺生成的查询效率虽然比典型工艺低，但是对于多品种、小批量的航空企业，不可能所有零件都可以匹配到典型工艺。应用匹配工艺实例的方法再进行一定的增删改的修订，相比完全的人工编制，可以提高效率和质量。

5.3 工艺资源参数库

首先在工艺资源库中，对工装资源的数据进行梳理，不仅对管理信息进行维护，且通过动态建模的方式，对于各类工装的特有的属性进行维护。从而对其适用的工艺方法、加工特征等都可以进行结构化管理，建议对工艺资源及其属性也进行编码，以便进行工序和工艺资源的推理与推荐。

图10 工艺资源参数

6 工艺方案的匹配与推荐

以零件工艺为例，工艺的匹配和推荐是指利用零件结构、材料等特征的相似性，判定零件工艺的相似性，进而为工艺员推荐可复用的工艺。主要考虑的因素包括：

1）零件结构：形状、尺寸、精度；

2）零件材料：材料种类、毛坯种类、热处理、制造方式；

包括推荐工艺的工序顺序、加工设备、工装、注意事项等。

工艺文件的检索技术已经比较成熟，然而根据零件信息和已有的历史数据中进行相似度的计算，推荐最优典型工艺的过程相对比较复杂，需要一定的计算和推理，为了便于相似度的计算把零件特征编码构建成为特征矩阵，并对每个码段设置权重。

图11 工艺匹配与推进流程

通过工艺匹配与参数化规则推理主要实现：

1）车间分工路线的推荐，分工人员在进行工艺分工时，系统会根据零件的特征编码推荐该零件的最优车间分工路线，工艺分工人员可进行交互式的选用和调整。

2）工艺路线的推荐，工艺设计人员在进行零件的加工工艺路线设计时，系统可以根据零件的特征组编码去匹配工艺路线供工艺设计人员选用。

3）典型工艺的推荐，工艺员在编制工艺时，在工艺文件编制工具根据零件的特征编码进行相似度技术与查询，向工艺员推荐适用于该零件的典型工艺，工艺员在此基础上进行调整与修改，即完成了工艺的派生。

图12 自动推荐适配的典型工艺供选择

图13 基于规则推理的工艺参数推荐

4）工艺参数的推导，基于基本的工艺路线与加工特征的要求，在规则库中匹配规则，通过规则引擎推算加工工序的工艺参数。基于规则对MBD信息作为输入推导工艺参数的过程是由事实驱动，不断应用规则得出结论的过程，这个过程为正向推理，也称为演绎法。本文推荐应用RETE算法进行事实与规则的匹配，RETE算法是一个高效的演绎法推理算法，其原理如下图所示。首先构建匹配网络，通过遍历工艺参数推理规则集，并将规则中的所有模式（条件）在Alpha网络中建立节点，将Alpha网络中的节点在Beta网络中构建合并节点，最后也将规则中的结果封装成Beta网络中的终端节点，形成完整规则。然后进行规则匹配与推理执行，将事实集中的MBD信息、制造资源等事实数据对象沿着Alpha网络中的节点进行判断，直到Beta网络中进行合并，最终到达终端节点，形成可执行的规则集合，在进行规则的冲突解决后执行规则，得出推理结果。原理如图14所示。

5）工艺资源的推荐，工艺资源的推荐需要结合历史工艺文件中的数据和工艺资源库进行。一方面检索相似零件所用工装，确定应用工装的类别和范围；另一方面通过建立工艺资源库，并对工装参数和工艺方法进行梳理和结构化，然后根据所工艺路线与加工零件的特征参数基于规则进行推算，进而推荐所需的工艺资源。

例如对于某工步中所用刀具的推荐，其实现思路如下：

图14 零件加工特征

工艺员根据推荐的典型工艺，确定工序内容后，系统根据加工特征及工件材料、粗糙度要求等信息（体现在计算机系统中为特征矩阵），且刀具的选择很大程度上取决于所选用的工艺，因此在进行匹配时还需对当前工序内容进行语义分析，然后根据这些信息进行匹配和推理，在工艺资源库中检索适合的刀具进行推送。如表1所示。

表1 刀具参数推荐示意

当用户在资源库选择刀具时，系统自动为针对工步匹配适合的刀具，缩小范围。

图15 推荐刀具

对于其他工艺资源可以采用相同的原理，模拟人工选配工装的过程，基于历史数据分析和工装匹配规则辅助进行工艺资源的选择，提高工艺编制过程中选择工装的准确性和效率。

7 结语

在基于模型的定义技术支撑的研制体系下，应用知识工程的一些技术，进行智能化的工艺设计是本文研究的重点。通过自动抽取MBD数据元素，并进行自动编码，构建零件特征矩阵进行相似性计算和规则推理的方式对工艺参数进行推理，从而智能化的辅助工艺人员进行快速工艺设计的技术。构建支持推理和推送的智能化的工艺设计知识集成应用系统还有大量的研究和开发工作需要做。本文提出如下建议：

1）对工艺资源数据建立模型化、标准化的管理方式，不但要结构化其管理属性，更有深究其适用范围、加工参数、适用的工艺方法等内容；

2）建立工艺术语库，梳理工艺设计本体知识，构建标准化的工艺表述体系，并且研究语义分析技术和高效率的匹配算法；

3）在系统建设开发时，要考虑工艺知识数据结构的扩展性，考虑知识库、其他业务系统、工具的集成应用关系，避免形成数据“孤岛”。